九里沟水电站立式水轮机导轴承和主轴密封的技术改造探索

(安徽省淠史杭灌区管理总局淠东干渠管理处，安徽 六安 237009)

九里沟水电站位于安徽省淠史杭灌区，利用淠河总干渠和淠东干渠的输水落差发电，该站于2015年完成了水利部农村水电增效扩容改造项目，装有3台JP502-LH-180水轮机。水轮机导轴承采用稀油润滑巴氏合金筒瓦和转动油盆结构，主轴采用盘根密封。

1 存在问题的原因分析

首台机组安装时，发现转动油盆装配极为困难。试运行时，主轴密封漏水严重，转动油盆进水，被迫停机处理。九里沟水电站与主机生产厂详细分析了原因，决定在后两台机组供货前对水导轴承和主轴密封进行变更设计。改造前的水轮机导轴承和主轴密封结构如图1所示。

图1 改造前的水轮机导轴承和主轴密封结构

转动油盆和筒瓦结构在水轮机导轴承上运用较为广泛，属比较成熟的设计。但九里沟水电站3台机组均为小型水轮机，首台机组设计时没有充分考虑结构尺寸的限制，转动油盆盖的装拆异常困难。转动油盆安装好以后，油盆盖不能先安装，否则，水导轴承座就放不下去了，必须先把水导轴承座组装好放入转动油盆，然后向上抬起约11cm，手从水导轴承座与支持盖的把合面伸进去，盲操安装转动油盆盖，实际操作空间不到10cm，且扳手转动角度受限，每次只能转30°左右，然后拔出扳手凭手感重新找准螺栓继续紧固。一颗螺栓需半小时才能紧固，24颗螺栓，仅安装转动油盆盖就需要两天，工作效率极低，如果运行一段时间后螺栓生锈，可以预见这种操作环境根本无法拆卸。

盘根密封的设计同样受到结构尺寸的限制。这种密封的效果取决于填料的压紧程度，太松则漏水量太大，太紧则很快会烧毁填料使密封失效；而且运行一段时间后填料磨损，需要适度地紧固密封压垫盖。填料压紧度的调整需要在机组转动的条件下才能精确进行，但该机组在主轴密封安装好以后，水导未安装，不具备转动调试条件；水导安装到位后，主轴密封完全封在轴承下部，无法调整。因此，密封填料的松紧度只能凭运气，全部安装完毕后才能试车，如果调整不合适的话只能拆除水导重新调整，然后回装试车，不行的话再次重复。如前所述，水导的设计不利于安装，整个水导拆装一遍需要5天，这就使盘根密封的调试费时费力，而且效果完全不可控。首台机组投运仅1个月，就发生过2次密封填料烧毁和1次水淹水导的事故，运行中始终提心吊胆。

2 水导轴承的改造

水导轴承改造，首先需要解决转动油盆盖难以装拆的问题，其次使盘根密封便于调试。对于前者，先后考虑了在支持盖开操作孔和在水导轴承座开安装孔的方法，使孔口对准油盆盖螺栓，通过孔口进行装拆。但油盆盖螺栓达24个，开孔数过少，达不到预期效果，增加开孔数，又没有足够空间，且影响部件的结构强度。对于后者，水导轴承安装到位后，就无法对下面的盘根进行任何调整，这是结构决定的，无法改变，于是考虑要延长盘根调整周期。采用的方法，一是将密封压垫盖的螺栓加长，中间套上不锈钢弹簧，利用弹簧补偿压紧行程，但这种尺寸的弹簧力度远远不够，起不到补偿作用；二是更换更耐磨、润滑特性更好的填料，分别试用了石墨、芳纶和四氟材料的盘根填料，但由于不能在运转中调试，效果均不理想。在多次尝试失败后，决定转变思路。

九里沟水电站发电用水来自大别山水库，常年保持为Ⅱ类水质，技术供水安装有滤水器，水质好，泥沙少，有这样得天独厚的条件，如果把水导改成水润滑轴承，就可以取消转动油盆，也就不怕水导进水了，上述问题便迎刃而解。如果采用多年前已广泛使用的水润滑橡胶瓦，轴承结构改动较大，且其承载力和运行稳定性不如巴氏合金瓦。

如果使用其他材料，以水为润滑剂有三个问题：一是水的黏度很低,在瓦面和轴颈之间不容易产生水膜层,尤其是转速低、负荷大时更不容易形成；二是现有的巴氏合金不具备自润滑性，一旦水膜形成不良或不稳定时,轴瓦会与轴颈产生干摩擦而导致烧瓦；三是水对轴承系统有锈蚀作用。经查阅相关资料，并与推力瓦(使用弹性金属塑料瓦)生产厂家联系得知，该公司研制的水润滑轴瓦,是一种瓦面材料为聚四氟乙烯的弹性金属塑料瓦,它解决了水膜的形成、干摩擦时的自润滑性和锈蚀等难题，而且可以用原巴氏合金瓦的瓦基，经钎焊、布置金属丝垫和浇筑改性聚四氟乙烯而成为水润滑轴瓦，原轴承座和各部位安装尺寸均未改变，这样改动小、造价低、工期短。水润滑弹性金属塑料瓦的主要技术性能见表1，其与巴氏合金瓦的摩擦系数和摩擦功耗对比见表2。

表1 水润滑弹性金属塑料瓦主要技术性能

表2 水润滑弹性金属塑料瓦与巴氏合金瓦摩擦系数和摩擦功耗对比

水导瓦改成水润滑弹性金属塑料瓦后，取消了转动油盆结构，上油盆可拆除冷却器直接改成水箱，原冷却水改成轴承润滑水。经校核，润滑水流量要求不小于1.2m3/s，原冷却水设计流量为4.8m3/s，完全满足需要。

3 主轴密封的改造

原主轴密封位于水导下方，调整和维修需拆卸水导，也不具备带水调试的条件；盘根密封没有自补偿性能，维护周期短。水导改成水润滑轴承后，可将密封位置上移到水导上方。原上油盆拆除冷却器后，空间足以布置密封结构，可把密封装在润滑水(原冷却水)进口上方，这样，在密封和水导轴承之间就形成了一个压力水箱，保证了润滑水具有必要的压力和流量。有自补偿性能的主轴密封，常用的有橡胶平板密封和活塞式端面水压密封，九里沟电站在增效扩容改造前均使用过。相比较而言，活塞式端面水压密封结构较为复杂，加工和安装精度要求高，还容易卡阻；橡胶平板密封结构简单，运行稳定，效果较好。因此，决定使用单层平板密封。

4 改造中要注意的问题

水导轴承和主轴密封结构改造后，其结构发生了很大变化,见图2。

图2 改造后的水轮机导轴承和主轴密封结构

水导部分仍使用原来的轴承座，仅更换了水润滑水导瓦(两瓣筒瓦结构)，通过固定螺栓与水导轴承座固定；转动油盆相关部件全部拆除，上油盆内的冷却器也全部拆除，原水导下方的盘根密封拆除，为防止水大量涌入机坑，要将支持盖腰形孔(见图1)用钢板封堵。主轴密封部分由转动环、不锈钢抗磨环(与转动环焊接在一起)、压板、橡胶平板和密封底座构成，密封底座直接焊在原上油盆的内壁。

改造中要注意的问题：一是水润滑水导瓦对技术供水水质要求较高，一般要求装设滤水器；如水中泥沙含量大，要静置后才能使用。二是轴颈要做防锈处理。一般可将与轴瓦摩擦段镶焊不锈钢衬套，既能保护大轴，又能延长轴承使用寿命。三是轴承运行时，要保证润滑水箱充满水，如水箱内水量不足，水导瓦和密封平板都可能因缺水而形成干摩擦，影响使用寿命。机组启动前，技术供水泵要先启动，使润滑水箱充水并建立压力，运行中也要始终监控水箱水压。可在润滑水进水管处安装一个电接点压力表或压力传感器，当水压低于设定值时用于润滑水中断的报警或停机。四是橡胶平板无需开模浇筑，使用5～10mm厚的橡胶板裁剪即可，使用平面橡胶输送带则耐磨性更佳。橡胶板厚度根据技术供水压力确定，压力大可选稍厚的，压力小可选稍薄的。先按尺寸要求剪出一个橡胶圆环，然后将圆环的一边剪开，以便套入主轴。剪短时切口不要竖直，沿主轴旋转方向成30°～45°角，套入主轴后，用强力胶将切口黏合即可。九里沟电站增效扩容前使用的浇筑式橡胶平板为两瓣结构，接头处有梳齿结构防渗漏，但订货困难，需要开模，生产周期长。上面介绍的方法经实践检验，完全可行，材料随处可取，方法简便易行，只要保证润滑水，其磨损很小。九里沟水电站2号机使用10mm厚度的输送带橡胶，已运行数千小时，磨损量不到1mm，使用一个大修周期没有问题，而且更换极其方便。五是转动环必须有定位销。如图2所示 ，转动环和不锈钢抗磨环是分两半把合的，加工时用固定螺栓把合好，打定位销，然后加工不锈钢抗磨环的摩擦面。安装时先用定位销将两半转动环定位，再用固定螺栓把合。如果无定位销，安装时很难使不锈钢抗磨环重新把合成加工时的平面，两半的结合处会出现台阶，切割橡胶平板造成异常磨损，且漏水量大增。六是橡胶平板与不锈钢抗磨环之间的安装间隙以0.50～0.80mm为宜，这个间隙在机组停止时不会引起大量漏水，转动时容易形成水膜。安装时两者之间放一把0.50mm的塞尺即可。七是压板与不锈钢抗磨环的间隙要尽量小。九里沟水电站的机组目前按单边3mm设计。最初改造时，未注意这一问题，压板较窄，使得其与抗磨环间隙约40mm，使用一个月橡胶平板即被磨穿。检查发现由于这一间隙过大，在水压作用下该处橡胶平板翘曲拱起，与抗磨环接触面减小，形成抗磨环外沿对翘曲处的橡胶平板的切割效应(如图3所示)。间隙减小后，不会形成有害翘曲，保证了使用寿命。

图3 橡胶平板变形示意图

5 结 语

九里沟水电站对水轮机导轴承和主轴密封改造完成后，已安全运行三年，初步验证了改造方案的可行性、可靠性和经济性。采用水润滑弹性金属塑料瓦代替稀油润滑巴氏合金瓦对立式水轮机进行技术改造，在国内尚不多见。与巴氏合金瓦相比,它彻底省去了原有的油润滑系统,降低了运行成本；避免了油脂对河流的污染,利于环境保护；无水导进水之虞，运行安全稳定；结构简单，大大减少了检修工作量。与橡胶瓦相比，它克服了橡胶瓦弹性模量低，变形大，稳定性差，易磨损、易烧瓦，承载力差、易老化等缺点。对具备技术供水水质条件的小型立式机组，值得推广。用单层橡胶平板对主轴密封的改造，结构简单，取材方便，漏水量小，维护周期长，以九里沟水电站的运行环境进行比较，明显优于盘根密封和活塞式端面水压密封，可供其他电站参考。

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